孫 濤,張示淵,王 巖,陳創(chuàng)夫
(1. 石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院;2. 石河子大學(xué)第三附屬醫(yī)院(石河子市人民醫(yī)院);3. 石河子大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院;4. 石河子大學(xué)畜牧學(xué)博士后流動(dòng)站,新疆維吾爾自治區(qū)石河子市 832000)
轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(RNA-sequencing)技術(shù)的廣泛運(yùn)用,可以獲得大量的轉(zhuǎn)錄本信息,從中發(fā)掘出有重要功能的基因,尤其適用于基因信息匱乏的物種,很大程度上促進(jìn)了非模式生物的功能基因組分析(Nagalakshmietal., 2008),也為研究鱗翅目昆蟲(chóng)分類(lèi)、進(jìn)化、發(fā)育、與寄主互作等問(wèn)題提供了技術(shù)支持(楊帆等,2014)。與全基因組相比,轉(zhuǎn)錄組測(cè)序成本低、周期短,具有很高的性?xún)r(jià)比。對(duì)于目前還沒(méi)測(cè)定全基因組的非模式昆蟲(chóng)來(lái)說(shuō),先測(cè)轉(zhuǎn)錄組是深入研究基因發(fā)掘、分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)和功能鑒定的最佳選擇(張棋麟和袁明龍,2013)。目前,已有甜菜夜蛾Spodopteraexigua(Pascualetal., 2012)、小菜蛾P(guān)lutellaxylostella(Youetal., 2013)、沙棘蠹木蛾Eogystiahippophaecolus(Cuietal., 2017)等鱗翅目非模式昆蟲(chóng)開(kāi)展了高通量測(cè)序。
阿爾泰蝠蛾HepialusaltaicolaWang屬于鱗翅目Lepidoptera蝙蝠蛾科Hepialidae蝠蛾屬Hepialus,是新疆特有昆蟲(chóng),僅分布于海拔1 000~3 000 m處的新疆阿爾泰山。其幼蟲(chóng)是新疆蟲(chóng)草菌Ophiocordycepsgracilis的寄主昆蟲(chóng),受真菌感染后形成的蟲(chóng)菌復(fù)合體即新疆蟲(chóng)草,具有很高的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義(索菲婭等,2008)。阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng)棲居于地下5~20 cm的土壤層中,以采食新疆芍藥Paeoniasinjiangensis和新疆藜蘆Veratrumlobelianum等植物嫩根部分為生,所棲息的土壤微環(huán)境的日平均溫度在-5~15℃,每年還要經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)半年的凍土期。另外,通過(guò)野外觀察和室內(nèi)飼養(yǎng)發(fā)現(xiàn),幼蟲(chóng)在0~5℃還能維持取食和運(yùn)動(dòng)能力,具有很強(qiáng)的低溫環(huán)境適應(yīng)性。目前,對(duì)阿爾泰蝠蛾的研究主要集中在生物學(xué)特性方面,主要包括生殖規(guī)律的觀察(趙恒等,1998a)、幼蟲(chóng)的飼養(yǎng)(趙恒等,1998b)、活蛹的無(wú)損鑒別(王巖等,2018)和食性的調(diào)查研究(王巖等,2020)等,而關(guān)于蝠蛾基因方面的研究相對(duì)較少。溫度在決定昆蟲(chóng)的生存、分布和數(shù)量方面起著至關(guān)重要的作用,同時(shí)也影響昆蟲(chóng)生理生化過(guò)程、代謝活動(dòng)以及生長(zhǎng)發(fā)育狀況(Sinclairetal., 2003)。阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng)獨(dú)特的生境(低溫高海拔地區(qū))及低溫下仍能維持取食和運(yùn)動(dòng)的能力,為研究昆蟲(chóng)低溫適應(yīng)性提供了良好的實(shí)驗(yàn)材料。
本研究采用Illumina HiSeqTM2500測(cè)序平臺(tái)對(duì)阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,并對(duì)獲得的Unigenes進(jìn)行基因功能注釋、分類(lèi)及代謝途徑的分析,以期獲得阿爾泰蝠蛾更多的轉(zhuǎn)錄本信息,從基因組水平上發(fā)掘蝠蛾應(yīng)激代謝相關(guān)的功能基因,為研究蝠蛾低溫適應(yīng)相關(guān)分子和代謝調(diào)節(jié)機(jī)制提供依據(jù),也為進(jìn)一步相關(guān)基因的克隆與表達(dá)奠定基礎(chǔ)。
阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng)采自新疆阿勒泰地區(qū)布爾津縣的阿爾泰山上(海拔1 260 m),收集幼蟲(chóng)棲身土壤作為飼養(yǎng)土帶回實(shí)驗(yàn)室。選擇個(gè)體大小相近的健康活蟲(chóng)用于轉(zhuǎn)錄組研究,飼養(yǎng)于光照培養(yǎng)箱中(MGC-250P型,上海一恒),飼養(yǎng)溫度為12℃±1℃,相對(duì)濕度50%~60%,光周期16 L ∶8 D,飼養(yǎng)一周后用液氮速凍并保存于-80℃冰箱備用。
從凍存的蝠蛾幼蟲(chóng)中選取大小相近的3頭,用TRIzol試劑提取RNA。用1%瓊脂糖凝膠電泳分析總RNA降解程度及是否有污染,Nanodrop 2000分光光度計(jì)(IMPLEN, CA, USA)檢測(cè)RNA的純度(OD260/OD280),并用Qubit RNA Assay Kit對(duì)RNA濃度進(jìn)行定量,Agilent Bioanalyzer 2100(Agilent Technologies, CA, USA)檢測(cè)RNA的完整性。
將檢測(cè)合格的總RNA樣品用帶有Oligo(dT)的磁珠富集mRNA,加入fragmentation buffer使其隨機(jī)打成短片段,再以片段化的mRNA為模板,用6堿基隨機(jī)引物(random hexamers)合成cDNA第一鏈,然后加入緩沖液、dNTPs、RNaseH和DNA聚合酶I合成cDNA第二鏈,并使用AMPure XP beads對(duì)其進(jìn)行純化。洗脫純化后的雙鏈cDNA先進(jìn)行末端修復(fù)、加A尾并連接測(cè)序接頭,再用AMPure XP beads進(jìn)行片段大小選擇,最后通過(guò)PCR擴(kuò)增得到cDNA文庫(kù)。采用Illumina HiSeqTM2500(Illumina, San Diego, CA, USA)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)序,測(cè)序讀長(zhǎng)為PE125。cDNA文庫(kù)構(gòu)建及測(cè)序工作由北京百邁克生物科技有限公司協(xié)助完成。
對(duì)測(cè)序得到的原始數(shù)據(jù)(raw reads)進(jìn)行過(guò)濾,去除接頭污染,去除未知堿基N大于10%的reads,去除低質(zhì)量reads(質(zhì)量值Q phred <=20的堿基數(shù)占整個(gè)reads的50%以上的reads),得到過(guò)濾后的數(shù)據(jù)(clean reads),再進(jìn)行后續(xù)分析。在高質(zhì)量的clean reads基礎(chǔ)上計(jì)算Q20(Phred>20堿基占總堿基的百分比)、Q30(Phred>30堿基占總體堿基的百分比)、GC(堿基G和C的總和占總的堿基數(shù)的百分比)含量和重復(fù)序列水平。利用Trinity軟件(Grabherretal, 2011)對(duì)clean reads進(jìn)行拼接組裝,使用Tgicl對(duì)組裝結(jié)果進(jìn)行聚類(lèi)去冗余得到最終的單基因簇Unigenes用于后續(xù)分析,命名為“All-unigene”。
為獲得全面的基因功能信息,使用Blast通過(guò)序列相似性將Unigenes與7個(gè)主要功能數(shù)據(jù)庫(kù)(Nr,KOG/COG,Swiss-Prot,Pfam,KEGG和GO)進(jìn)行比對(duì),得到基因的功能注釋信息。然后用Blast2GO和WEGO進(jìn)行GO(Gene Ontology)條目和功能分類(lèi)統(tǒng)計(jì)(Conesaetal., 2005; Yeetal., 2006)。利用KOBAS 2.0(Xieetal., 2011)獲得KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)中Unigenes的直系同源結(jié)果。用HMMER(Eddy, 1998)將Unigene序列與Pfam數(shù)據(jù)庫(kù)(Finnetal., 2014)進(jìn)行比較,獲得Unigenes的注釋信息。
根據(jù)功能注釋結(jié)果,將Unigenes按照Nr、Swissprot、KEGG、COG蛋白庫(kù)的優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行比對(duì),挑選Unigene的最佳比對(duì)片段作為該Unigene的CDS(按照5′>3′的順序);沒(méi)有比對(duì)上的序列或比對(duì)上未預(yù)測(cè)出結(jié)果的序列,則采用ESTScan軟件預(yù)測(cè),得到這部分基因編碼的核酸序列和氨基酸序列。
根據(jù)獲得的阿爾泰蝠蛾基因功能注釋信息,結(jié)合已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道(Luetal., 2014; Cuietal., 2017; Torsonetal., 2017),從中推測(cè)出與環(huán)境應(yīng)激相關(guān)的代謝調(diào)節(jié)候選基因。采用FPKM (fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped)值表示對(duì)應(yīng)Unigenes的表達(dá)豐度。
轉(zhuǎn)錄組樣本數(shù)據(jù)量為21.31 G,經(jīng)過(guò)分析,共組裝獲得144 329個(gè)轉(zhuǎn)錄本,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行聚類(lèi)和組裝分析得到100 133個(gè)Unigenes,總長(zhǎng)度86 319 112 bp,平均長(zhǎng)度862 bp,N50(覆蓋50%所有核苷酸的最大序列重疊群長(zhǎng)度)長(zhǎng)度為1 628 bp,其中長(zhǎng)度在1 kb以上的有23 747條,占全部Unigenes的23.72%,長(zhǎng)度為200~300 bp的Unigene所占比例最大,占總體的33.6%(表1),阿爾泰蝠蛾轉(zhuǎn)錄組組裝后得到Unigenes長(zhǎng)度分布(圖1)。序列的質(zhì)量參數(shù)Q20的百分比在97%以上;Q30的百分比在92%以上(表2),可對(duì)轉(zhuǎn)錄組質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。
表1 阿爾泰蝠蛾轉(zhuǎn)錄組組裝結(jié)果
表2 阿爾泰蝠蛾cDNA 樣品測(cè)序數(shù)據(jù)評(píng)估統(tǒng)計(jì)表Table 2 Summary for raw reads of cDNA samples of Hepialus altaicola
圖1 阿爾泰蝠蛾轉(zhuǎn)錄組組裝后得到Unigenes長(zhǎng)度分布Fig.1 Length distribution of all assembled Unigenes of Hepialus altaicola
2.2.1Unigene在各數(shù)據(jù)庫(kù)中的比對(duì)
將獲得的100 133個(gè)Unigenes分別在7個(gè)主要功能數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì),取閾值e≤10-10,共有38 198條Unigenes獲得注釋?zhuān)?8.15%;其中占比最高的是Nr數(shù)據(jù)庫(kù),注釋32 381條Unigenes(32.34%),與其他生物的已知蛋白具有不同程度的同源性。COG數(shù)據(jù)庫(kù)注釋基因共有11 084條,占11.03%;KOG數(shù)據(jù)庫(kù)注釋基因共有20 669條,占20.64%;Swiss-Prot數(shù)據(jù)庫(kù)注釋基因共有16 690條,占16.67%;Pfam數(shù)據(jù)庫(kù)注釋基因共有23 816條,占23.78%;GO數(shù)據(jù)庫(kù)注釋基因共有13 261條,占13.24%;KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)注釋基因共有15 058條,占14.78%;此外,通過(guò)其中5種主要數(shù)據(jù)庫(kù)(COG、NR、GO、Swiss-Prot和Pfam)維恩圖可以更清晰了解各數(shù)據(jù)庫(kù)交叉注釋情況(圖2)。
從所注釋到NR數(shù)據(jù)庫(kù)中的物種分布來(lái)看,有1 634個(gè)(占5.36%)基因與斜紋夜蛾Spodopteralitura相似基因序列最多;其次為臍橙螟蛾Amyeloistransitella,有1 503個(gè)(占4.93%);有1 376個(gè)(占4.51%)基因與一種名為Pristionchuspacificus的寄生蟲(chóng)線(xiàn)蟲(chóng)同源;其它相似性序列數(shù)量大于2%的物種有小菜蛾(4.13%),家蠶Bombyxmori(3.89%),偏瞳蔽眼蝶Bicyclusanynana(3.63%),棉鈴蟲(chóng)Helicoverpaarmigera(3.59%),煙芽夜蛾Heliothisvirescens(3.50%),柑橘鳳蝶Papilioxuthus(2.87%),其它物種占63.59%(圖3)。
圖2 COG, GO, NR, Pfam及Swissprot功能注釋維恩圖Fig.2 A Venn diagram shows commonality and difference of annotation based on COG, GO, NR, Pfam and Swissprot
圖3 阿爾泰蝠蛾Unigenes在Nr數(shù)據(jù)庫(kù)中的物種分布圖Fig.3 Species distribution of Unigenes of Hepialus altaicola in Nr database
2.2.2Unigene的COG分類(lèi)注釋
經(jīng)過(guò)COG數(shù)據(jù)庫(kù)功能預(yù)測(cè)和分類(lèi),共有11 084 個(gè)Unigenes被注釋?zhuān)鶕?jù)其功能可分為26類(lèi)(圖4)。其中,一般功能預(yù)測(cè)類(lèi)(General function prediction only,1 432個(gè))基因最多;其次為轉(zhuǎn)錄、核糖體結(jié)構(gòu)和生物合成(Translation, ribosomal structure and biogenesis,1 428個(gè));翻譯后修飾,蛋白質(zhì)折疊和分子伴侶(Posttranslational modification, protein turnover, chaperones,1 175個(gè))、碳水化合物運(yùn)輸和代謝(Carbohydrate transport and metabolism,1 059個(gè)),氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝(Amino acid transport and metabolism,826個(gè)),其他類(lèi)別的基因表達(dá)豐度各不相同。COG分類(lèi)揭示了可能參與調(diào)節(jié)阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng)在冷適應(yīng)過(guò)程中基因的特定反應(yīng)和功能。
2.2.3Unigene的GO分類(lèi)注釋
共有13 261個(gè)Unigenes在GO數(shù)據(jù)庫(kù)中3大類(lèi)57個(gè)功能組中找到對(duì)應(yīng),分別是分子功能(Molecular function)分為15個(gè)亞類(lèi),細(xì)胞成分(Cellular component)的19個(gè)亞類(lèi),生物學(xué)過(guò)程(Biological process)23個(gè)亞類(lèi)。分子功能類(lèi)注釋到15 023條,其中催化活性(Catalytic activity)和結(jié)合活性(Binging)的Unigenes數(shù)量較多,分別是6 871和5 786條,其余均在1 000條以下。細(xì)胞成分類(lèi)注釋到22 008條,其中細(xì)胞(Cell)和細(xì)胞部分(Cell part)的Unigenes數(shù)量較多,分別是4 529和4 519條;生物學(xué)過(guò)程類(lèi)注釋到23 963條,排在前三位的是代謝過(guò)程(Metabolic process)、細(xì)胞過(guò)程(Cellular process)和單一有機(jī)體過(guò)程(Single-organism process),分別是6 257、6 217和3 581條,其余的均在2 000條以下(圖5)。
2.2.4Unigene的KEGG分類(lèi)注釋
使用KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行Unigenes代謝途徑分析。結(jié)果顯示,共有15 058個(gè)Unigenes參與了環(huán)境信息處理(Environmental information processing)、遺傳信息處理(Genetic information processing)、細(xì)胞過(guò)程(Cellular processes)、代謝(Metabolism)和有機(jī)體系統(tǒng)(Organismal systems)5類(lèi)代謝分支,歸屬于305條通路。其中注釋最多的5個(gè)代謝通路依次為核糖體(678)、碳代謝(431)、剪接體(414)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工(395)、嘌呤代謝(371)(表3)。
圖4 阿爾泰蝠蛾Unigenes的COG分類(lèi)圖Fig.4 COG functional categories of Hepialus altaicola Unigenes注:圖中括號(hào)內(nèi)數(shù)字代表Unigenes的數(shù)量,百分?jǐn)?shù)代表其所占比例。Note:The numbers in brackets in the figure represent the number of unigenes, and the percentage represents its propotion.
圖5 Unigenes的GO分類(lèi)圖Fig.5 GO functional categories of Unigenes
表3 阿爾泰蝠蛾的KEGG通路總結(jié)
編碼序列(CDS)預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,共54 002條序列可被編碼,占全部基因的53.93%(54 002/100 133)。長(zhǎng)度在300 nt以上的Unigene為40 237條,占74.51%。其中0~100 nt的最多,有23 591條;其次是100~200 nt(11 072條)及200~300 nt(5 574條),其余長(zhǎng)度區(qū)間的CDS都在5 000條以下(圖6)。
圖6 編碼序列(CDS)長(zhǎng)度分布圖Fig.6 Coding sequence (CDS) length distribution
對(duì)阿爾泰蝠蛾基因表達(dá)量進(jìn)行分析,已有基因功能注釋信息中的大多數(shù)Unigenes與生物過(guò)程中的新陳代謝有關(guān)。結(jié)合已有的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,在轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中篩選了311個(gè)可能與冷適應(yīng)相關(guān)的蛋白和酶的代謝調(diào)節(jié)基因,例如昆蟲(chóng)表皮蛋白(Insect cuticle protein, ICP),熱休克蛋白(Heat shock proteins, HSPs),海藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Trehalose transporter 1, TRET1),谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(Glutathione S-transferase, GST)和幾丁質(zhì)酶Chitinase(表4)。其中大多數(shù)與HSP相關(guān)的Unigenes被預(yù)測(cè)為編碼HSP70(31條)和HSP90(18條)型,其余還包括HSP40、HSP60及分子量小于30 kDa的小分子熱休克蛋白(small Heat Shock Proteins,sHSPs)。這些注釋信息能夠?yàn)榘柼鸲暧紫x(chóng)環(huán)境適應(yīng)性中發(fā)揮潛在作用的基因功能研究提供新的線(xiàn)索。
表4 阿爾泰蝠蛾抗逆性相關(guān)基因的推測(cè)
表5 阿爾泰蝠蛾轉(zhuǎn)錄組FPKM統(tǒng)計(jì)
隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,轉(zhuǎn)錄組分析逐漸成為非模式生物發(fā)掘功能基因的有效手段(Veraetal., 2008)。本研究應(yīng)用Illumina高通量無(wú)參考基因組轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,獲得了阿爾泰蝠蛾的轉(zhuǎn)錄組信息,通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析和基因功能注釋?zhuān)瑥闹邪l(fā)掘與應(yīng)激代謝相關(guān)的抗逆性基因。通過(guò)序列的處理、Trinity拼接、轉(zhuǎn)錄本功能注釋等步驟,得到數(shù)據(jù)量為21.31 G的原始轉(zhuǎn)錄組信息,共144 391個(gè)轉(zhuǎn)錄本,進(jìn)一步分析得到100 133個(gè)Unigenes,總長(zhǎng)度86 319 112 bp,平均長(zhǎng)度和N50長(zhǎng)度分別為862 bp和1 628 bp。同為蝙蝠蛾科的小金蝠蛾Hepialusxiaojinensis轉(zhuǎn)錄組測(cè)序得到50 164條Unigenes,N50為1 357 nt(Mengetal., 2015)。一般認(rèn)為N50值越大,反映組裝得到的長(zhǎng)片段越多,組裝效果越好。從獲得基因的數(shù)量、平均長(zhǎng)度和N50值等方面均顯示本次阿爾泰蝠蛾轉(zhuǎn)錄組的拼接效果良好;堿基Q30值>92%,說(shuō)明堿基識(shí)別率較高,Q30值在80%以上認(rèn)為測(cè)序質(zhì)量可靠(王興春等,2015)。上述結(jié)果表明本研究測(cè)序和組裝結(jié)果較好,其質(zhì)量和長(zhǎng)度滿(mǎn)足轉(zhuǎn)錄組分析的基本要求。
圖7 阿爾泰蝠蛾轉(zhuǎn)錄組中表達(dá)豐度較高的50個(gè)基因Fig.7 Top 50 most abundant Unigenes in the antennal transcriptome of Hepialus altaicola
基因數(shù)據(jù)庫(kù)中參考序列的數(shù)量是決定轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)注釋比例的主要因素,例如家蠶(Xiaetal., 2004)、大蠟螟Galleriamellonella(Vogeletal., 2011)等研究鱗翅目昆蟲(chóng)的模式生物,其全基因組測(cè)序?yàn)轺[翅目昆蟲(chóng)生物學(xué)和免疫學(xué)等基因功能的研究奠定了基礎(chǔ)。本研究共計(jì)有38 198條(占38.15%)Unigenes被Nr、Swiss-Prot、Pfam、GO、COG/KOG和KEGG等數(shù)據(jù)庫(kù)注釋?zhuān)杂?1 935條(61.85%)序列無(wú)法成功比對(duì),這可能與拼接的序列片段過(guò)短而缺乏注釋信息有關(guān)(魏利斌等,2012),也可能本身是非編碼序列或者是新的某種基因(Houetal., 2011),而與已報(bào)道其他昆蟲(chóng)缺少同源性。
GO是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基因功能分類(lèi)體系,能夠全面描述生物體基因和基因產(chǎn)物的屬性,從宏觀上認(rèn)識(shí)某一物種的基因功能分布特征(Botsteinetal., 2000)。阿爾泰蝠蛾轉(zhuǎn)錄組Unigenes在GO數(shù)據(jù)庫(kù)中共得到的13 261條功能注釋?zhuān)渲袇⑴c代謝、催化與結(jié)合活性的基因功能注釋較多,這與其它昆蟲(chóng)的轉(zhuǎn)錄組研究結(jié)果相一致(Zhangetal., 2015; 孟翔等, 2016)。不同昆蟲(chóng)的GO二級(jí)功能注釋有所差異,如意大利蝗Calliptamusitalicus二級(jí)功能注釋有52個(gè)(向敏,2017);大蠟螟有55個(gè)(楊爽,2019);麥紅吸漿蟲(chóng)Sitodiplosismosellana有50個(gè)(蔣月麗等,2020);而阿爾泰蝠蛾GO二級(jí)功能注釋有57個(gè)。阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)錄組在KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)注釋到305條代謝通路,主要涉及核糖體、碳代謝等,其中參與核糖體代謝(ko03010)的基因數(shù)量最多,達(dá)678條,該代謝通路由核糖體蛋白主導(dǎo),其基因?qū)颂求w蛋白的合成起重要作用,能夠影響生物體的生命活動(dòng)(Uechietal., 2001)。
在GO功能富集中,注釋到與生物學(xué)過(guò)程中的代謝過(guò)程相關(guān)的Unigenes占比最高(占26.11%)。共分析得到311個(gè)與阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng)應(yīng)激代謝調(diào)節(jié)相關(guān)的Unigenes,分屬于11個(gè)不同的類(lèi)群(表4)。這些基因被歸類(lèi)為以下功能:蛋白質(zhì)折疊(GO:0006457),對(duì)壓力的反應(yīng)(GO:0006950),葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)(GO:0015758),跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性(GO:0022857),熱激蛋白結(jié)合(GO:0031072),ATP代謝過(guò)程(GO:0046034),超氧化物代謝過(guò)程(GO:0006801),水解酶活性(GO:0016787),三羧酸循環(huán)(GO:0006099)等。響應(yīng)冷適應(yīng)調(diào)節(jié)的基因“熱休克蛋白”(90個(gè)),參與催化活性的“ATP合酶”(62個(gè))的基因表達(dá)最多。熱休克蛋白是重要的分子伴侶,它的表達(dá)和調(diào)控是物種響應(yīng)環(huán)境脅迫的物質(zhì)基礎(chǔ),在昆蟲(chóng)的應(yīng)激響應(yīng)中發(fā)揮重要作用(Wangetal., 2019),對(duì)耐受低溫環(huán)境得以生存至關(guān)重要(Rinehartetal., 2007)。在所注釋的熱休克蛋白中,HSP70和HSP90基因數(shù)量最多,這與分布于低溫高原地區(qū)的竹蝗Ceracriskiangsu在15℃冷馴化下表達(dá)量類(lèi)似(Lietal., 2019)。而熱休克蛋白的合成,消耗了生物體大量的能量,因此,參與ATP合成的基因在低溫脅迫后大量表達(dá)。在阿爾泰蝠蛾轉(zhuǎn)錄組中有22個(gè)Unigenes被注釋為昆蟲(chóng)表皮蛋白,且表達(dá)量較高,這些表皮蛋白在昆蟲(chóng)表皮形成,它的產(chǎn)生是一種細(xì)胞保護(hù)策略,以應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)(Zhangetal., 2008)。海藻糖酶可以水解昆蟲(chóng)血淋巴中的海藻糖,產(chǎn)生2分子葡萄糖,能夠?yàn)槔ハx(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育、代謝、大分子生物合成等提供所需能量,在昆蟲(chóng)蛻皮過(guò)程中的幾丁質(zhì)合成、耐寒性方面也發(fā)揮重要作用(Shietal., 2016)。有49個(gè)Unigenes被注釋為海藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,幫助昆蟲(chóng)脂肪體中合成的海藻糖進(jìn)入胞外,通過(guò)血淋巴運(yùn)送到各組織,為生命活動(dòng)提供能量(Kikawadaetal., 2007)。此外,有14個(gè)Unigenes被注釋為水通道蛋白,參與體內(nèi)滲透壓的調(diào)節(jié),其表達(dá)量與抗凍能力具有相關(guān)性(Philipetal., 2008);有14個(gè)Unigenes被注釋為超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD),這與耐寒昆蟲(chóng)準(zhǔn)噶爾小胸鱉甲Microderapunctipennis在環(huán)境脅迫適應(yīng)中SOD基因的表達(dá)相一致(Luetal., 2014)。阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng)棲息的低溫高海拔環(huán)境,全年僅6-8月土壤層的日平均溫度可達(dá)到10℃以上,凍土期還限制了幼蟲(chóng)的取食和運(yùn)動(dòng)。因此,這些Unigenes在野外采集的蝠蛾幼蟲(chóng)中表達(dá),表明低溫下的代謝補(bǔ)償可能是其適應(yīng)寒冷環(huán)境的重要策略。阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng)在環(huán)境變化過(guò)程中通過(guò)控制體內(nèi)小分子運(yùn)輸,來(lái)降低應(yīng)激條件下細(xì)胞內(nèi)滲透壓對(duì)刺激的反應(yīng)能力,有助于闡明阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng)對(duì)低溫的響應(yīng)與應(yīng)激代謝調(diào)節(jié)之間的相互關(guān)系。
溫度是影響阿爾泰蝠蛾物種分布的重要因子,也是生態(tài)學(xué)研究的關(guān)鍵因素之一。生活于低溫高海拔地區(qū)的阿爾泰蝠蛾幼蟲(chóng),如何適應(yīng)低溫環(huán)境是一個(gè)值得探究的問(wèn)題。本研究獲得的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和分析結(jié)果,有助于快速發(fā)現(xiàn)阿爾泰蝠蛾廣泛多樣的候選基因,為進(jìn)一步研究蝠蛾幼蟲(chóng)所棲居的獨(dú)特生境下,冷適應(yīng)相關(guān)機(jī)制和代謝平衡的調(diào)節(jié)提供分子水平依據(jù),同時(shí)也豐富了鱗翅目蝙蝠蛾科昆蟲(chóng)的基因數(shù)據(jù)庫(kù)。另外,不同昆蟲(chóng)參與冷適應(yīng)相關(guān)的代謝調(diào)節(jié)基因的數(shù)目和種類(lèi)也有所不同,被注釋的這些基因的組織表達(dá)特異性和功能還需進(jìn)一步分析驗(yàn)證。
環(huán)境昆蟲(chóng)學(xué)報(bào)2021年6期